剛性接觸網-受電弓載流磨損性能的試驗研究

2021-12-28 13:05:12梅桂明

西南交通大學學報 2021年6期

梅桂明

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都 610031）

到2019 年底，我國地鐵和輕軌線路總里程已經達到6600 km. 剛性接觸網系統因隧道空間占用小，接觸線不需要預緊力，施工和維修費用低等一系列優點，在地鐵線路上得到了大量的應用. 我國川藏鐵路因為橋梁和隧道長度占總線路長度的70%～80%，從節約建造成本的角度，也有可能采用剛性接觸網的供電制式. 我國地鐵剛性接觸網近20 a 的使用經驗也發現，這種制式的接觸網系統存在受電弓滑板和接觸線材料嚴重磨損的問題[1-2]. 地鐵浸金屬碳滑板材料的正常使用壽命為2.5 萬～3.0 萬公里，嚴重時磨耗達到16～20 mm/萬公里；銅銀合金接觸線的使用壽命最短約為3.5～5.0 a[3-4]. 浸金屬碳材料是目前地鐵、普速鐵路和高速鐵路使用的耐磨性能最好的一種滑板材料，造價也是最高的一種. 滑板和接觸線材料的異常磨耗，也意味著列車取流質量的下降，既增加地鐵列車的運營成本，也容易損壞列車的電器元件. 因此，開展剛性接觸網系統載流摩擦磨損性能研究有著積極的意義.

迄今為止，對剛性接觸網系統材料磨損問題的研究還比較少見，Wei 等[5]研究了剛性接觸網系統的接觸線和受電弓滑板磨耗的理論預測方法，Simarro等[6]研究了剛性接觸網系統弓網動力學模型的驗證方法. 大量的工作主要圍繞高速鐵路柔性接觸網系統的摩擦磨損問題進行研究[7-14]. 比較一致的觀點認為，高速鐵路弓網載流摩擦磨損主要由機械磨損和電氣磨損組成，其中電氣磨損如熱磨損和電弧燒蝕磨損占較大的比重，控制了電弧燒蝕磨損就可以成倍地提高滑板材料的耐磨性[15-22].

本文對地鐵剛性接觸網-受電弓滑動摩擦系統在直流電流通過條件下的摩擦磨損性能進行了試驗研究，探討了剛性接觸網-受電弓滑動摩擦副載流條件下發生嚴重磨損的機理.

1 試驗簡介

1.1 試驗設備

本試驗在環-塊式載流摩擦磨損試驗機（見圖1）上進行，它主要由變頻電機、直徑為1100 mm 的轉動盤、滑板座、機座等零部件組成. 接觸線固定在轉動盤的外圓柱面上，滑板固定在滑板座上. 變頻電機驅動轉動盤轉動，帶動接觸線相對于滑板作水平方向的相對滑動，模擬弓網之間沿線路縱向的相對滑動. 此外，滑板相對于接觸線還作垂直方向的往復運動，模擬弓網沿線路橫向的拉出值相對運動.

圖1 試驗機Fig. 1 Test machine

1.2 試驗材料

試驗用的接觸線樣品取自地鐵剛性接觸網系統在用的銅銀合金接觸線，其橫截面尺寸與地鐵線路在用的接觸線橫截面尺寸一致. 滑板材料樣品取自地鐵剛性接觸網受電弓在用的浸金屬碳滑板材料，其橫截面尺寸與地鐵在用的滑板材料的橫截面尺寸一致，長度為120 mm. 本次試驗用的接觸線和滑板材料的化學成分和物理性能見表1 和表2 所示.

表1 接觸線的化學成份和物理性能Tab. 1 Physical parameters and chemical compositions of contact wire

表2 滑板材料的化學成份和物理性能Tab. 2 Chemical compositions and physical parameters of strip

1.3 試驗參數

剛性接觸網系統的地鐵列車一般由6 輛車輛組成，在列車的一前一后各使用一個受電弓取流，每個受電弓并排使用4 根滑板. 每個受電弓通過電流約為DC 0～1400 A，總法向力120 N. 因此，本次試驗參數選取如下：滑動速度V= 60 km/h，滑板的通過電流I= 0，400 A，每根滑板與接觸線之間的法向力Fn= 30 N，試驗的滑動距離d= 900 km.

1.4 試驗測量方法

使用精度為0.1 mg 的電子天平測量滑板的重量，滑板的磨損量定義為試驗前、后滑板的質量損失除以滑板材料的密度. 由于接觸線的磨耗比較小，而且接觸線是固定在試驗機轉動盤外圓柱面上，拆裝困難，不容易準確測量接觸線的磨耗，因此本試驗暫不考慮接觸線的磨耗. 使用熱成像儀測量滑板的溫度，使用霍爾電流傳感器和電壓傳感器分別測量電弧電壓和電流，電弧電壓和電流信號使用數據采集系統并行采集. 本研究曾經試驗過用1000、5000、10000 Hz 3 種不同的采樣頻率采集電弧電壓和電流的數據，由于采集結果差別不大，為方便數據處理，本研究的采樣頻率取為1000 Hz. 定義電弧能量為

式中：U為滑板和接觸線之間的電壓，V；t為試驗時間，s.

由于U和I都是離散數據，所以電弧能量用辛普森積分法來計算. 圖2 是使用熱成像儀測量的滑板-接觸線摩擦副的溫度，可看見滑板溫度最高為312.0 ℃. 熱成像儀測量溫度的數據更新頻率為60 Hz.

圖2 接觸線-滑板摩擦副的溫度測量結果Fig. 2 Measured temperature of contact wire-strip pair

2 試驗結果及分析

2.1 摩擦系數隨滑動距離的變化

圖3 顯示了滑板-接觸線摩擦副滑動摩擦時摩擦因數隨滑動距離的變化，可以看出：滑動開始時，摩擦因數的數值略大，隨著滑動距離的增加，摩擦因數略有減小；無電流時的摩擦因數比有電流時的摩擦因數略大，例如，當d= 150 km，I= 0 時，摩擦因數μ= 0.25，而當d= 150 km，I= 400 A 時，μ= 0.22.這是因為有電流時，滑板-接觸線摩擦副經常發生電弧放電現象，滑板材料的溫度比較高，滑板出現材料軟化，滑板材料的主要成份是碳，容易粘附到接觸線表面，在接觸線摩擦表面形成氧化膜，因而減小了摩擦因數[19].

圖3 摩擦因數隨滑動距離的變化Fig. 3 Variation of friction coefficient against sliding distance

2.2 滑板磨損率隨滑動距離的變化

圖4 顯示了滑板磨損率隨滑動距離的變化關系，可以看出：有電流時滑板的磨損率w隨著滑動距離的增大略有減小，當d= 150 km，I= 400 A 時，w= 5.100 mm3/km，而當d= 750 km，I= 400 A 時，w= 4.500 mm3/km；有電流時滑板的磨損率比無電流時大得多，如d= 150 km，I= 0 時，w= 0.096 mm3/km，有電流時滑板的磨損率是無電流時滑板的磨損率的53 倍，可見直流電流對滑板的磨損率有重要的影響.

圖4 滑板磨損率隨滑動距離的變化Fig. 4 Variation of wear rate against sliding distance

磨損率定義如式（2）所示.

式中：V為滑板磨損量，mm3.

根據式（2）和圖4 的試驗結果，可以估計寬度為35 mm、試驗機設定的接觸線拉出值為 55 mm 的滑板，使用d=10 000 km 時的磨耗深度為 12.47 mm.如果換算成剛性接觸網拉出值200 mm，則滑板使用d=10 000 km 時的磨耗深度為3.43 mm，該數據與剛性接觸網現場磨耗數據4.20～4.90 mm[4]接近.

2.3 滑板溫度隨滑動距離的變化

圖5 顯示了滑板的溫度隨滑動距離的變化，可以看出：自滑動距離d= 150 km 開始，有電流時滑板的溫度較高，最高達312.0 ℃，并在306.0 ℃左右小幅波動；當無電流時，滑板的溫度隨滑動距離的變化微小，保持在41.3 ℃左右. 可見，直流電流對滑板溫度的影響很大. 溫度越高，滑板材料就越容易軟化，容易黏著轉移到接觸線表面，造成滑板材料磨損加劇；同時，滑板溫度越高，滑板材料中低燃點的成分就容易燃燒，燃燒后的滑板材料變得松散，與接觸線摩擦時極易脫落造成滑板材料磨損的加劇.

圖5 滑板的最高溫度隨滑動距離的變化Fig. 5 Variation of strip temperature against sliding distance

2.4 電弧能量隨滑動距離的變化

圖6 顯示了弓網電滑動過程中電弧能量隨滑動距離的變化（I= 400 A），可以看出：隨著滑動距離的增大，電弧能量逐漸趨于平穩. 滑動剛開始的時候，由于滑板與接觸線之間處于初始跑合狀態，接觸狀態不是很穩定，離線比較多，此時弓網電弧放電比較強烈，所以電弧能量比較大；隨著滑動距離的增加，滑板與接觸線之間的接觸狀態變好，離線相對較少，所以弓網電弧放電比較少，電弧能量相應也比較少.弓網電弧一方面引起接觸副材料溫度的升高，另一方面電弧燒蝕引起滑板和接觸線材料的異常損耗，就像電弧焊接原理一樣，當電弧能量達到一定數值的時候，電弧熱就能夠把焊接材料融化，由于摩擦副存在相對滑動，融化的材料就會沿著相對滑動速度方向飛濺出來. 電弧燒蝕是引起滑板材料磨損的最重要因素，滑板的磨耗與電弧能量成正比關系[14,21].因此，在實際的弓網系統中，應盡量減少弓網電弧放電問題.

圖6 電弧能量隨滑動距離的變化Fig. 6 Variation of arc energy against sliding distance

2.5 磨痕形貌分析

圖7 顯示了滑板和接觸線的磨痕形貌，可以看出：滑板磨痕表面存在明顯的由于電弧燒蝕留下的麻坑，接觸線摩擦表面覆蓋了一層黑色的氧化膜，該氧化膜是電弧燒蝕的高溫和滑板材料轉移到接觸線表面共同作用而形成，一般認為該氧化膜可以減小滑板和接觸線之間的滑動摩擦因數[19].

圖7 滑板和接觸線的磨痕形貌Fig. 7 Surface topography of strip and wire scars

圖8（a）和圖8（b）分別顯示了滑板磨痕的SEM（scanning electronic microscope）照片和EDS （energy dispersive spectrum）分析. 從圖8（a）可以看出：滑板磨痕表面存在明顯的龜裂裂紋，在摩擦力和法向力的作用下，這些龜裂裂紋易引起滑板材料的脫層磨損，加速材料的磨耗. 從圖8（b）可以看出：滑板磨痕的氧元素含量比較高，這是發生了電弧燒蝕的緣故.